電除塵器內亞微米細顆粒物動態的可視化測試

沈欣軍,王仕龍,韓 平,鄭欽臻,曾宇翾,閆克平

（1.浙江大學生物質化工教育部重點實驗室,浙江杭州310027；2.神華國能集團有限公司,北京100140；3.沈陽工業大學理學院,遼寧沈陽110870）

電除塵器內亞微米細顆粒物動態的可視化測試

沈欣軍1,3,王仕龍2,韓 平2,鄭欽臻1,曾宇翾1,閆克平1

（1.浙江大學生物質化工教育部重點實驗室,浙江杭州310027；2.神華國能集團有限公司,北京100140；3.沈陽工業大學理學院,遼寧沈陽110870）

為了研究電除塵器內氣流場對細顆粒物捕集的影響,采用二維粒子成像測速法（2D-PIV）對電除塵器內亞微米細顆粒物的運動規律進行測試.實驗中,采用艾灸煙作為示蹤粒子,線－板式電除塵器板間距為200 mm,通過改變高壓放電極或電暈放電極性進行實驗.結果表明,對單線電極電除塵器施加50 kV高壓時,線電極周圍會形成4個渦旋.對雙線電極電除塵器來說,由于渦旋的相互作用,會形成更多的渦旋,且分布在雙電暈線之間的4個渦旋更加均勻對稱.從渦旋形貌來看,正電暈或負電暈放電具有相似的渦旋分布,采用線電極或芒刺電極時,也具有相似的渦旋分布.采用雙芒刺電極時,由于注入更高的放電能量,顆粒物速度大幅提高,最高值可達1.6 m／s,是一次流速的3倍.

ESP；2D-PIV；氣流分布；離子風；亞微米細顆粒物

我國是燃煤大國,電除塵器是燃煤鍋爐控制顆粒物排放的主要除塵設備之一.2011年最新頒布的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）規定,所有新建項目于2012年1月1日起正式實施此排放標準,現有火電廠最遲于2014年7月1日前完成貫標工作,其中煙囪煙塵排放濃度限值為30 mg／m3,對于重點區域的火電廠實行20 mg／m3煙囪煙塵排放濃度特別限值.而我國目前現役的電除塵器大部分是按老標準（GB13223-2003）規定的50 mg／m3排放濃度配置設計的,這促使我國需對現有陳舊落后的電除塵器進行提效改造.

電除塵器對亞微米顆粒物的收集效率較低［1-3］.研究表明,電除塵器內的離子風是影響細顆粒物捕集的主要因素之一［4-5］.因此,采用有效的測試手段對電除塵器內的流場進行測試,觀察電除塵器內細顆粒物特別是亞微米細顆粒物的動態規律,為解決現行電除塵器存在的技術問題提供了可視化的依據.

粒子成像測速法（PIV）是一種非接觸、瞬時、動態、全流場的直接速度場測試技術,應用于電除塵器內的流場測試已有十多年的歷史,研究主要集中在實驗室內窄間距（板-板間距小于100 mm）電除塵器模型的測試,從常見的2D-PIV發展到3D-PIV測試.應用2D-PIV的有針對不同電極結構形式的線-板式［6-7］、多線-板式［8.9］、針-板式［10.11］和線-筒式［12］電除塵器內的流場測試.應用3D-PIV的有針對板-板間距為窄間距（30 mm）［13-14］和寬間距（100 mm）［15-16］線-板式電除塵器內的流場測試.此外,還有針對不同的電除塵器電源和放電類型進行的測試研究［17-18］,但多以2D-PIV測試為主.

本文的研究目的在于實現對工業實際應用中寬間距電除塵器下的2D-PIV流場測試.為探明電除塵器對細顆粒物去除效率低的問題提供可靠的依據,同時選擇一種更適合PIV流場測試技術應用的示蹤粒子.

1 實驗系統與方法

1.1 實驗系統

實驗系統由電除塵系統和2D-PIV測試系統2部分組成（如圖1所示）.

1）電除塵系統

電除塵器整個箱體均采用有機玻璃制作,箱體內部尺寸為長×寬×高＝600 mm×200 mm×200 mm.收塵極為不銹鋼薄板（長×寬＝400 mm×200 mm）,位于箱體上下壁面位置,考慮到相機拍攝范圍和數據分析精度等因素,電除塵器板-板間距選為200 mm.放電極采用不銹鋼線電極（直徑0.15 mm）或不銹鋼芒刺電極（如圖2所示,芒刺直徑0.15 mm）,長均為200 mm,位于兩收塵極板中間位置,具體電極布置方式見圖1（b）.正直流高壓電源型號：ZGF-60kV／2m A；負直流高壓電源型號：ZGF-60kV／5m A,自帶數字電壓表（精度0.1 kV）和數字電流表（精度1μA）.

2）2D-PIV測試系統

2D-PIV測試系統見圖1（a）.其主要組成設備型號和參數如表1：

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic illustration of experimental setup

圖2 芒刺電極結構尺寸Fig.2 Structure and size of spike electrode

2D-PIV系統的測試方式如圖1（b）所示,激光束經導光臂轉換為0.5～1 mm厚的激光面,從電除塵器一端射入,經過電除塵器中軸線并垂直于放電極和收塵極,含有示蹤粒子的煙氣則從另一端進入電除塵器,相機的拍攝位置與激光面垂直,拍攝分布在激光面上散射了激光的示蹤粒子,相機每次拍攝一對照片,應用圖像分析處理軟件Micro Vec V3.2.1對其進行分析處理,結果通過軟件Tecplot10以速度矢量圖（或流線圖）的形式顯示,即完成了瞬時流場的2D-PIV測試.矢量圖（或流線圖）中的X為電除塵器軸線方向,Y為與軸線垂直的方向,與圖1（b）中的x和y方向相對應.

表1 2D-PIV測試系統主要設備型號和參數Tab.1 Main equipment types and parameters of 2D-PIV measurement system

3）示蹤粒子

示蹤粒子直接反映流場特性,它的選取及布置是PIV測量的關鍵環節之一.示蹤粒子通常應具有良好的跟隨性、散射性和合適的濃度,通常適用于氣相PIV測試的示蹤粒子有氧化鋁粒子、二氧化鈦粒子以及霧化的油滴等.本實驗中選取香煙及艾灸煙進行了粒徑測試,以便選取一種更接近于亞微米級的細顆粒物作為示蹤粒子.測試儀器為芬蘭產電子低壓沖擊儀（electrical low pressure impactor,ELPI）,該儀器利用顆粒物的慣性按動力學粒徑將顆粒物分成12級,對應中位粒徑從小到大分別為0.039、0.072、0.121、0.204、0.318、0.486、0.766、1.239、1.966、3.102、5.191和8.181μm.ELPI可以實時在線進行顆粒物濃度c、粒徑da以及荷電量Q的測試［19］.測試時,將香煙或艾灸點燃后放入圖1（a）中的發煙裝置,并與風機引入的空氣混合后進入電除塵器,然后在電除塵器的出氣口取樣測試.如圖3所示給出了ELPI自帶分析軟件對香煙和艾灸煙粒徑分布的測試結果.可以看出,香煙顆粒物分布在0.039～1.966μm,主要以中位粒徑0.766μm和1.239μm的顆粒物為主.艾灸煙顆粒物則分布在0.039～0.766μm,基本為亞微米顆粒物,且以中位粒徑0.039μm居多,可見艾灸煙比香煙具有更好的跟隨性.同時,實驗中艾灸煙比香煙具有更好的濃度可控性和持久性.

圖3 示蹤粒子粒徑分布Fig.3 Size distribution of tracer particle

1.2 實驗方法

發煙裝置產生的煙氣進入電除塵器后,通過氣流分布板后實現近似層流分布,一次流速大約控制在v＝0.5 m／s,流體的雷諾數Re＝V×L／ν＝6 370（其中收塵板間距L＝0.2 m,空氣運動黏度ν＝1.57×10－5m2／s）,所有實驗均在室溫和相對濕度大約為55%的條件下完成.實驗中,分別考察了不同放電極極性、形狀和數量等參數時,電除塵器內流場的2D-PIV測試.

操作時,調好各項參數,CCD相機連續拍攝48對照片,分析處理后,對得到的48個瞬時流場進行平均處理,得到最終測試結果.

2 實驗結果

2.1 單線電極時±50 kV高壓下的流場測試

本實驗采用單線電極,分別施加±50 kV高壓進行流場測試,結果見圖4和5.從圖中可以看出,在50 kV高壓下,雖然電壓極性不同,但都得到了相近的流場測試結果.原本呈層流運動的一次氣流,改變了原有的運動方向,向收塵極運動,到達收塵極后又分別向相反方向運動,從而在兩收塵極間形成了上、下、左、右的4個渦旋.從流線圖可以更為直觀的看出,上游方向的2個渦旋與下游方向的2個渦旋形狀略有不同.

2.2 單芒刺電極時±50 kV高壓下的流場測試

實驗采用單芒刺電極,芒刺尖端與集塵板垂直,激光面位于兩芒刺之間（避免芒刺反光而造成流場失真）,分別施加±50 kV高壓進行流場測試,結果見圖6和7.從圖中可以看出,得到了與2.1中近似的實驗結果.只是在芒刺電極的作用下,對一次流速的改變更為明顯,局部流速增速更高.

2.3 雙線電極時±50 kV高壓下的流場測試

本實驗采用雙線電極,電極間距d＝155 mm,分別施加±50 kV高壓進行流場測試,結果見圖8和9.從圖中可以看出,在50 kV高壓下,不同極性的電壓同樣獲得了相近的流場測試結果.從流線圖可以更為直觀的看出,左、右電極間渦旋的相互作用,對一次流影響更大,形成了更為均勻對稱的4個渦旋.由于拍攝區域的限制,左、右電極以外其他區域流場的變化情況僅有小部分顯示了出來,可以判斷該區域也有渦旋的存在.

2.4 雙芒刺電極時±50 kV高壓下的流場測試

圖5 單線電極正高壓（U＝50 kV,I＝352μA）條件下的流場和流線Fig.5 Flow field and flow line under single wire electrode and positive high voltage（U＝50 kV,I＝352μA）

圖6 單芒刺電極負高壓（U＝－50 kV,I＝397μA）條件下的流場和流線Fig.6 Flow field and flow line under single spike electrode and negative high voltage（U＝－50 kV,I＝397μA）

本實驗采用雙芒刺電極,電極間距為155 mm,電極和激光面布置方位同2.2,分別施加±50 kV高壓進行流場測試,結果見圖10和11.從圖中可以看出,得到了與2.3中近似的結果.但在雙芒刺電極的作用下,局部形成的二次流速可達1.6 m／s,已超出一次流速的3倍以上.

圖7 單芒刺電極正高壓（U＝50 kV,I＝382μA）條件下的流場和流線Fig.7 Flow field and flow line under single spike electrode and positive high voltage（U＝50 kV,I＝382μA）

圖8 雙線電極（d＝155 mm）負高壓（U＝－50 kV,I＝489μA）條件下的流場和流線Fig.8 Flow field and flow line under double wire electrode（d＝155 mm）and negative high voltage（U＝－50 kV,I＝489μA）

圖9 雙線電極（d＝155 mm）正高壓（U＝50 kV,I＝421 μA）條件下的流場和流線Fig.9 Flow field and flow line under double wire electrode（d＝155 mm）and positive high voltage（U＝50 kV,I＝421μA）

3 結果分析與討論

1）電除塵器中顆粒物的去除,主要受電場強度、空間電荷分布、氣體流場和顆粒物本身性質等因素的影響,這些參數會影響到作用在顆粒物上電場力和黏性力的平衡,即決定了顆粒物在向收塵極運動的驅進速度［20］.此外,顆粒物的去除還受到一次流和離子風產生的二次流（電流體動力流electrohydrodynamic,EHD）相互作用的影響［21］.EHD值可以通過以下公式計算［22］：

式中：I為總放電電流（A）；L＝0.2 m；ν＝1.57× 10－5m2／s；ρ為空氣密度,1.205 kg／m3；μi為正放電下的離子遷移率,2×10－4m2／Vs；負放電下的離子遷移率,2.7×10－4m2／Vs；A為收塵面積,2×0.4×0.2＝0.16 m2.

EHD與Re平方的比值（EHD／Re2）可以反映出離子風引起的電流體動力流和黏性力的大小關系.如表2所示給出了實驗中不同條件下計算所得到的EHD／Re2值.可以看出在50 kV高壓下,改變放電極的極性、形狀和數量等參數,EHD／Re2分布在5.8～13.6,可見高電壓下離子風對亞微米艾灸煙顆粒物的影響占有主導地位.

圖10 雙芒刺電極（d＝155 mm）負高壓（U＝－50 kV, I＝660μA）條件下的流場和流線Fig.10 Flow field and flow line under double spike electrode（d＝155mm）and negative high voltage（U＝－50 kV,I＝660μA）

表2 不同條件下的EHD值Tab.2 EHD under different conditions

2）在速度高達十幾m／s［23］甚至幾十m／s［24］的離子風作用下,電除塵器內形成復雜的湍流,從單電極和雙電極下的流場和流線圖可以看出,這種湍流形式主要以渦旋的形式表現出來.而芒刺電極的局部尖端電暈放電要比光滑線電極更為強烈,伴隨有更高速度的離子風產生,所以對一次流速影響更為強烈.

3）雙電極下流場內的渦旋比單電極下更為均勻對稱,是由于2個相同電極之間的渦旋相互交匯形成的,結果表現為二次流速更高.從多次實驗的結果來看,二次流速的最大值往往隨機出現,應該與實際運行中的不確定因素影響有關.此外,受拍攝區域所限,不能完全顯示出2根電極周邊流場的分布情況,但可以推斷,隨著電極數量的增加,流場中渦旋數量也會增加,從而在集塵板間形成一系列渦旋,渦旋之間交匯的影響,使二次流速更高.

圖11 雙芒刺電極（d＝155 mm）正高壓（U＝50 kV, I＝655μA）條件下的流場和流線Fig.10 Flow field and flow line under double spike electrode（d＝155 mm）and positive high voltage（U＝50 kV, I＝655μA）

4）正電暈與負電暈是有區別的,負電暈放電下電極附近會產生tufts效應,造成更強的湍流現象［25］.而從圖4～11的流場圖來看,在相同的高電壓下這種現象并不明顯,這是因為高電壓下無論正、負電極都會產生高速的離子風,迅速地將電極周圍的艾灸煙吹走,電極附近艾灸煙濃度極低,就失去了示蹤粒子的作用,從流場圖中表現為黑色空洞,這種現象在芒刺電極周圍表現更為明顯,所以不能完全顯示出正、負電暈附近的流場差別.

5）從流場和流線圖來看,亞微米細顆粒物受到渦旋的湍流運動,不停地在收塵極之間旋轉運動,不易被收塵極捕獲,這是電除塵器對亞微米細顆粒物捕集效率低的主要影響因素之一.此外,有研究表明,顆粒物進入電除塵器后,瞬間完成荷電,其中粒徑大于2μm的顆粒物以場致荷電為主,粒徑小于0.2μm的顆粒物以擴散荷電為主,介于期間的顆粒物兼有2種荷電機制,且更難以去除［1］.對于艾灸煙中中位粒徑在0.204～0.766μm的顆粒物,兼具2種荷電機制,而中位粒徑在0.039～0.121μm的顆粒物,主要以擴散荷電為主.從圖3可以看出,中位粒徑在0.204～0.766μm的顆粒物占亞微米顆粒物的相當比重,可見,這也是影響電除塵器對亞微米細顆粒去除的另一個因素.

6）從流場圖來看,圖中心和渦旋中心都有黑色空洞出現（速度值接近為零）,4）中已經給出了一種情況,其他3種情況主要有：（a）渦旋中心處的速度接近為零；（b）4個渦旋交匯處速度接近為零；（c）放電極特別是芒刺電極的反光現象,掩蓋了周圍示蹤粒子的散射,造成該區域較大范圍的流場失真,這也是本實驗中將激光平面選在經過2個芒刺中間位置投射的原因.

4 結 論

采用2D-PIV技術對寬極板間距（200 mm）電除塵器模型內的流場進行測試研究,通過改變放電極極性、形狀和數量等參數,得到了如下實驗結論.

（1）電除塵器施加50 kV高壓后,不同放電極極性、數量和形狀下,流場內都會形成渦旋.正、負電暈放電下形成的流場相近；芒刺電極比線電極下的流場增速更高；雙電極比單電極下流場內形成的渦旋更多.

（2）電除塵器內渦旋的存在,改變了原有一次流的流速和方向.在雙芒刺、正電暈放電下,二次流速最高可達1.6 m／s,是一次流速的3倍以上.

（3）電除塵器內渦旋的存在,嚴重影響了亞微米細顆粒物的捕集.

（4）艾灸煙粒徑主要分布在亞微米級范圍內,作為示蹤粒子更利于2D-PIV對電除塵器內流場的測試.

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Visualization measurements of submicron particle movement inside an electrostatic precipitator

SHEN Xin-jun1,3,WANG Shi-long2,Han Ping2,ZHENG Qin-zhen1, ZENG Yu-xuan1,YAN Ke-ping1
（1.Key Laboratory of Biomass Chemical Engineering of Ministry of Education,Zhejiang University, Hangzhou 310027,China；2.Shenhua Guoneng Energy Group Co.Ltd.,Beijing 100140,China；3.School of Science,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China）

In order to investigate the influence of gas flow field on fine particles precipitation of electrostatic pricipitator（ESP）,submicron particle movement inside an ESP was measured by using two-dimensional Particle Image Velocimetry（2D-PIV）technique.Moxa-moxibustion smoke was used as the tracer for the experiments.The wire-plate type ESP had gap distance of 200 mm.Experiments were performed with changing the high-voltage wires or corona discharge polarities.For a single high-voltage wire ESP and at the applied voltage of 50 kV,four generated vortexes around the wire are usually observed.For the ESP with double corona wires,more vortexes are produced due to their interaction.The four vortexes become much more symmetrical in between the two corona wires.Positive or negative corona discharges give similar vortexes in terms of their shapes.They are also similar each other when using wire or spike type electrodes.The particle velocity,however,can be significantly increased when using the double spike electrode due to its larger discharge power.The observed maximum velocity is about 1.6 m／s,which is almost three times of the primary gaseous velocity.

ESP；2D-PIV；gas flow distribution；corona wind；submicron particle

閆克平,男,教授,博導.E-mail：kyan＠zju.edu.cn

TQ 9

A

1008-973X（2015）05-0985-08

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.05.025

2014-04-17. 浙江大學學報（工學版）網址：www.journals.zju.edu.cn／eng

國家“863”高技術研究發展計劃資助項目（2013AA065000）；浙江省公益技術應用研究項目（2010C31013）.

沈欣軍（1973－）,男,博士生,從事電除塵器內細顆粒物的控制.E-mail：11114027＠zju.edu.cn